基于LabVIEW和PXI平台的6-DOF并联机器人控制系统的

图1.6-DOF并联机器人控制系统的各部分之间的关系控制系统硬件设计
由于本并联机器人作为染色体切割装备系统的宏动子系统，肩负着除染色体最终切割以外的绝大部分任务，具有高的定位精度和大的工作空间要求。其基本机构是一6-PPPS解耦的空间六自由度并联机构，由六个高精度伺服电机驱动实现空间六维运动（X、Y、Z三个方向的移动和绕X、Y、Z三个方向的转动），因为末端平台要达到微米级精度和六个电机的协调控制，所以我们选用了NI公司性能卓越的PXI-7356多轴运动控制卡。此多轴运动控制卡的缓存断点技术有效的提高了积分速度，对于一般的位置断点能够以2kHz的速率计算触发点，对于等距分布点则能够以高达4MHz的速率计算；此卡的两轴PID控制周期可以达到62.5μs,8轴PID控制周期可以达到250μs，实时性远远高于一般试验控制1ms的要求，如此高的计算效率适应了本系统的快速响应的特性。PXI-7356多轴运动控制卡的多轴同步时间小于一个采样周期；其位置精度较高，位置反馈时位置误差不超过正负一个正交码盘计数（quadrature count），模拟量反馈时应用其内置的8路16位模拟量输入采集功能，极大的提高了模数转换的分辨率，使其位置误差不超过一个最低有效位(LSB)，如此高的精度为系统高精度的要求提供了很好的保障。另外，PXI-7356多轴运动控制卡自身的安全标准、S曲线调节功能、双PID控制环以及多轴之间的电子齿轮配合能够为系统提供可靠的稳定性。PXI-7356多轴运动控制卡及其配套的运动控制接口UMI-7774端口板具有用来控制固态继电器和读取数字编/译码器的64位数字I/O，使得系统中诸如18路限位、12路使能及众多的报警等信号读取和输出更为方便快捷。鉴于以上考虑，我们认为NI公司的PXI-7356多轴运动控制卡及其配套模块式适合本系统的要求，并选用。

控制系统软件设计
控制系统的复杂性使得软件设计的过程中必须进行合理有效的层面和模块划分。结合控制系统硬件和所要呈现的功能，本软件划分为应用软件层、核心软件层和驱动软件层，每层根据功能要求又分为若干功能模块。如图2.

图2. 软件结构与信息传递

应用软件层：考虑到系统操作过程中需要运用一些开关来控制电机或抱闸、一些接口来改变各电机或压电陶瓷的运行参数、一些指示灯来发出正常或报警信号、一些轨迹曲线来实时监控各部分的运行情况以及各界面之间的切换等功能，我们选用了最能体现虚拟仪器技术价值的LabVIEW图形化编程语言，编写了友好、方便、灵活的人机界面。程序的整体采用了主/从结构的编程方式，主要是为了解决多个不同频率的循环和循环之间的信息交互。程序中嵌入了并联机器人的反解模型及控制算法，采用全局变量、局部变量、共享变量等实现各程序模块之间及模块内部的信息交互，充分利用用户事件技术、通知或队列技术实现各界面之间的切换，为了避免诸如两个循环同时操作一个对象之类的竞争问题，采用了同步技术。因为程序比较大，所要反映的信息多，因此在程序的管理上，我们也充分利用了LabVIEW的高级编程技巧，如为了节省内存和清晰化程序框架及前面板，我们采用了动态VI控制技术，不但实现了子VI的即用即调，而且实现了多面板程序设计的动态载入和界面重用。

核心软件层：面向机器人的轨迹控制与I/O逻辑控制的程序集合，如回零点、连续运行、单轴调整、轨迹曲线选择、系统自检等。该层软件一方面负责完成机器人各关节驱动电机的精确同步运动控制，实现末端执行器在操作空间中的精确轨迹；另一方面，该层软件还需要完成一组通用I/O的输入输出控制，实现对机构运动的过程控制以及对外围设备的协调控制等，以适应复杂的控制任务需要。

驱动软件层：驱动软件是实现单轴与多轴运动控制、D/A转换和硬件I/O控制的函数集合，包括轴配置、运动类型设置、电机运行和停止等操作函数。该层软件主要进行运动轴参数设置、电机加减速控制、起停控制、D/A转换和运动I/O的设置与控制等。该层的函数主要是控制板卡所带有的底层功能模块，可以用这些函数很方便的根据自己设定的控制方案编程实现上一级的核心控制软件层。LabVIEW 图形化语言和LabVIEW RT、Control Design and Simulation Bundle、Labview System identification toolkit, motion assistant等相关的NI工具包开发应用程序不但使得软件程序的开发效率大大提高，而且使得软件的功能齐全、人机界面友好。

系统整体特性与实验
本方案是并联机器人控制系统设计领域中一种新型的系统组建方法，其出发点和落脚点是缩短开发周期、降低系统造价、提高系统特性、完善系统功能。基于LabVIEW和PXI平台的6-DOF并联机器人开放式数字控制系统不需要从最低层进行开发，只需对各个模块进行配置并编写出用户需要的特定功能程序即可，与以往的机器人控制系统的开发相比，不仅大大缩短了开发周期，而且系统的升级和维护也非常方便，在这个意义上来说此系统是性价比最高的。系统特性方面的优势主要体现在稳定性、快速性和精确性上，25KHz―25.6MHz的编码器反馈信号滤波范围使得系统能够在强电干扰的工业现场的稳定工作，6轴PID控制周期可以达到250μs使得实时性远远高于一般控制控制系统1ms的要求，机器人六轴协调运动后的末端执行器稳态误差可达1μm体现了系统精确的特性。下图列出了几个典型的模块说明了系统的一些技术特点和成熟的功能。图3是点动运行模块，该模块不仅具有6个轴中每轴的单轴点动，而且根据机器人的构型特点和运动需求设置了任何两轴的双轴点动；该模块可以根据用户不同的运动需求设置点动步长、速度、加减速的基数值及其倍率；该模块能够实时显示运动的位置和运动完成状态，图示显示了轴1经过几个单轴点动完成后的状态。图4为轨迹跟踪模块，该模块不仅设置了预定轨迹的跟踪也具有轨迹规划的功能，并且能够同时显示六个轴的运行情况，图示为反映x向两轴同步运行的状态。图5为速度PID控制器加入前后同一余弦波的位置曲线运动所表现出的不同速度曲线特性，可见双PID控制器能够很大程度上改善其运动特性。图6为并联机器人整体系统。限于篇幅，此用于染色体切割装置的宏动并联机器人数控系统的其他特性不再一一赘述。